2.2 Tepelné zpracování oceli
Dnes existuje celá řada způsobů jak tepelně zpracovávat oceli. Účelem tepelného zpracování je zejména dosažení požadovaných vlastností kovových materiálů a průběh tohoto zušlechtění je v zásadě u všech způsobů stejný. Začíná se ohřevem na požadovanou teplotu, setrvání v této teplotě (prodleva) a následuje ochlazování vhodně zvolenou rychlostí. Konkrétní způsob tepelného zpracování je tedy charakterizován rychlostí, průběhem ohřevu, konečnou hodnotou teploty, dobou setrvání v dané teplotě a rychlostí ochlazování [14]
24
Rychlost ohřevu – závisí na konkrétním tepelném zpracování. Plynulý ohřev se používá hlavně u jednoduchých malých součástí, kdy nedochází k velkým rozdílům teplot na povrchu a v jádře součásti. Stupňovitý ohřev se volí i složitějších součástí, kde je vyrovnávání těchto rozdílů žádoucí kvůli vnitřnímu pnutí a porušení pevnosti materiálu [14].
Požadovaná teplota – volí se podle požadované konečné struktury materiálu.
Doba prodlevy – je závislá opět na tepelném zpracování a na tloušťce materiálu.
Rychlost ochlazování – volí se podle požadované konečné struktury materiálu. Při pomalém ochlazování se zachovává rovnovážný stav soustavy.
Naopak rychlé ochlazování vytváří nové strukturální složky se specifickými vlastnostmi materiálu [14].
2.2.1 Diagram Fe – Fe
3C
Nejdůležitějším příměsovým prvkem ve slitinách ocelí je uhlík, který ovlivňuje důležité vlastností i průběh jejich zušlechťování. Oceli tuhnou a chladnou podle metastabilní soustavy Fe – Fe3C, kde je uhlík vyloučen jako karbid železa (cementit).
Na obrázku č. 12 je rovnovážný diagram Fe – Fe3C, kde lze sledovat průběh změn při pozvolném ochlazování slitin železa s různým obsahem uhlíku. Při vyšších rychlostech ochlazování se používají diagramy IRA a ARA. V diagramu je znázorněna pouze technicky přijatelná oblast do 6,67% uhlíku, což odpovídá 100%
obsahu cementitu. Pro ocel platí oblast s obsahem do 2,14%.Tato oblast se dále dělí na část podeutektoidní s obsahem uhlíku 0 – 0,8% a nadeutektoidní, kde je obsah uhlíku v rozmezí 0,8 – 2,14%. Železo s obsahem vyšším než 2,14% se nazývá litina [15].
Nejprve si seznámíme s jednotlivými fázovými modifikacemi:
Železo α – má kubickou prostorově centrovanou mřížku tvořenou devíti atomy. Existuje pod teplotou 911°C a je feromagnetický. Maximální rozpustnost uhlíku je 0,02% [14].
Železo γ – má kubickou plošně centrovanou mřížku tvořenou čtrnácti atomy.
Existuje v rozmezí teplot 910°C - 1400°C a je paramagnetická [14].
Železo δ (δ Ferit) – je intersticiální tuhý roztok uhlíku v železa δ. Maximální obsah uhlíku je 0,105% při 1493°C [14].
25
Austenit – je tuhý roztok uhlíku v železe. Maximální rozpustnost uhlíku v austenitu je 2,06% při teplotě 1147°C. Je houževnatý a dobře tvářitelný za studena [14].
Ferit – je nízkoteplotní modifikace železa. Má malou pevnost a tvrdost, je tvárný za studena [14].
Ledeburit – je eutektická směs austenitu a cementitu vznikající u slitin s obsahem uhlíku nad 2,14% [14].
Perlit – vzniká přeměnou austenitu na směs feritu a cementitu. Je relativně tvárný a pevný [14].
Podeutektoidní oceli mají množství uhlíku pod 0,8%. Jako příklad uvedeme tuhnutí oceli s obsahem 0,4% uhlíku. Nad křivkou likvidu existuje pouze jediná fáze – homogenní tavenina. Poklesem teploty pod křivku solidu se ocel skládá pouze z krystalů tuhého roztoku austenitu s obsahem uhlíku odpovídajícímu původní koncentraci uhlíku ve slitině. Při dalším ochlazování pod křivkou A3 se z austenitu začínají vylučovat po hranicích zrn první krystaly čistého železa α feritu. Za teploty 760°C se krystaly tuhého roztoku α stávají feromagnetickými. Překrystalizace se ukončí tím, že při eutektoidní teplotě A1 (727 °C) zbylý austenit dosáhne koncentrace bodu S a ferit má složení dané bodem P. Dochází k eutektoidní reakci. Austenit se rozpadá na perlit, takže výsledná struktura podeutektoidní oceli je složena z feritu a perlitu [15].
Nadeutektoidní oceli mají obsah uhlíku v rozmezí 0,8 – 2,14%. Tuhnutí u nich probíhá stejně jako u podeutektoidních ocelí s tím rozdílem, že první krystaly autenitu krystalizují u nižších teplot. Za hranicí kritické hodnoty Acm je austenit nasycen a při dalším poklesu teploty začne uhlík ztrácet. Vzniká sekundární cementit. Při teplotě A1
a pomalém ochlazování dosáhne obsah uhlíku 0,765% a austenit se začne měnit na perlit. Pod hranicí eutektoidní přímky tvoří oceli směs perlitu a sekundárního cementitu [15].
26
Obrázek 12 Diagram Fe – Fe3C [12]
2.2.2 Způsoby tepelného zpracování
Hlavním důvodem tepelného zpracování ocelí je změna jejich struktury v důsledku fázových změn, které vedou k významným změnám vlastností výsledného materiálu. Tyto vlastnosti jsou požadavkem pro další zpracování a úzce profilují jejich následné využití [15]
Základní způsoby tepelného zpracování jsou:
žíhání,
kalení,
popouštění.
2.2.3 Žíhání
Cílem žíhání ocelí je zpravidla jejich uvedení do rovnovážného stavu. Z tohoto důvodu se při žíhání užívá rovnoměrného a pomalého ohřevu, dlouhé doby prodlevy
27
a následného pomalého ochlazování. Účelem je odstranění vnitřního pnutí, zotavení deformovaných zrn, vyrovnání rozdílu v chemickém složení, odstranění nerovností atd. Na obrázku 13 jsou v diagramu Fe – Fe3C znázorněny oblasti teplot všech způsobů žíhání. Žíhání se v závislosti na přeměnách ve struktuře dělí [15]:
žíhání s překrystalizací,
žíhání bez překrystalizace.
Obrázek 13 Oblasti teplot pro žíhání v diagramu Fe – Fe3C [12]
2.2.4 Žíhání s překrystalizací
Důvodem tohoto žíhání je zvýšení rovnoměrné struktury a dosažení homogenity chemického složení. Dochází k úplné nebo částečné přeměně výchozí feriticko – perlitické struktury na austenit. U podeutektoidních ocelí se žíhání provádí nad teplotou A3, u nadeutektoidních ocelí nad teplotou A1 [14].
Homogenizační žíhání – hlavním důvodem je vyrovnání chemického složení, hlavně u ingotů. Ohřev se provádí na teploty 950 – 1200 °C, následuje dlouhá výdrž (více jak 6 hodin) a pomalé ochlazování. Během tohoto procesu dochází k oxidaci a vzniku nežádoucích okují [14].
28
Normalizační žíhání – vznik jemnozrnné a rovnoměrné struktury tvořené feritem a perlitem, případně jen perlitem. Ohřev se provádí na teplotu v rozmezí 30 až 50 °C nad A3 a ochlazování je pomalé na vzduchu.
Jemnozrnná struktura se vyznačuje vyšší houževnatostí a pevností [14].
Izotermické žíhání – se provádí pro zlepšení obrobitelnosti a tvářitelnosti, snižuje se tvrdost a zbytková pnutí. Teploty ohřevu jsou stejné jako normalizačního žíhání, pak ale následuje prudké ochlazení [14].
2.2.5 Žíhání bez překrystalizace
Při tomto druhu žíhání teplota většinou nepřekročí teplotu A1. Mění se rozpustnost uhlíku a dusíku, rozpadají se nerovnovážné fáze a ke změnám dochází pouze v rámci struktury [14].
Žíhání ke snížení vnitřního pnutí – hlavním účelem je snížení vnitřního pnutí, které vznikají po předchozích operací jako je válcování, svařování obrábění. Nedochází ke změně struktury ani mechanických vlastností. Ohřev probíhá v rozmezí 470 – 650 °C, výdrž na této teplotě a pomalé ochlazování v peci[14].
Rekrystalizační žíhání – dochází k obnovení tvárných vlastností po tváření za studena a obnovuje se schopnost plastické deformace. Vlastnosti takto vyžíhané oceli se pak blíží původním mechanickým vlastnostem. Ohřev na teploty 550 - 700°C, prodleva a ochlazení na vzduchu libovolnou dobu [14].
Žíhání na měkko - provádí se pro snížení tvrdosti a tím zvýšení obrobitelnosti a také pro tváření za studena. Také se tímto zušlechtěním dosáhne vhodného stavu pro kalení. Mění se lamelární perlit na globulární. Ohřev probíhá při teplotách 550 - 700°C [14].
2.2.6 Kalení
Kalení oceli se provádí za jediným účelem a to je zvýšení tvrdosti materiálu. Je to nejběžnější způsob, jak dosáhnout požadovaných hodnot pevnosti. Princip kalení spočívá v převodu perlitické nebo feriticko-perlitické struktury na strukturu martenzitickou nebo bainitickou. Aby bylo možné ocel kalit, musí materiál obsahovat alespoň 0,3 % uhlíku. Pokud je toto procento menší, vytvoří se pouze malé množství martenzitu, což je přesycený tuhý roztok uhlíku v α železe, které nemá vliv na tvrdost finální struktury. Tyto oceli jsou potom označovány jako nekalitelné [15].
29
Volba teploty vždy závisí na požadované tvrdosti. Na obrázku 14 je vidět v rovnovážném diagramu pásmo teplot ohřevu pro kalení. U podeutektoidních ocelí je toto pásmo v oblasti austenitu. Pokud by se kalení provádělo v oblasti přechodu austenitu na ferit, po snížení teploty by austenit změnit strukturu na martenzit, ale ferit nikoliv. Výsledná struktura by byla kombinací tvrdého martenzitu a měkkého feritu. U nadeutektoidních jsou teploty kalení v oblasti přechodu austenitu na sekundární cementit. Po snížení teploty získáme směs martenzitu a ještě tvrdšího cementitu [15].
Obrázek 14 Oblasti teplot pro kalení v diagramu Fe – Fe3C [12]
2.2.7 Popouštění
Popouštění se zařazuje v některých případech do technologických postupů zušlechťování ocelí hned za kalení. Nově vzniklá martenzitická struktura má značné vnitřní pnutí, velkou tvrdost a křehkost. Cílem popouštění je rozpad martenzitu i zbytkového austenitu a získání struktury s nižší pevností, ale s vyšší houževnatostí.
Proces se provádí ohřevem na danou teplotu, prodlevou a pomalým ochlazováním.
Volba teploty ovlivňuje výslednou strukturu i procesy, které jí předcházely [15].
Popouštění může probíhat už při teplotách kolem 200°C, kdy vzniká tzv. kubický martenzit, snižuje se tvrdost i vnitřní pnutí. Při teplotě v rozmezí 200 - 300°C dochází k rozpadu zbytkového austenitu na bainit a začne se zvyšovat měrný objem oceli. Při popouštění za vysokých teplot nad 500°C hrubnou částice cementitu a feritu, vzniká tzv. sorbit, což je jemná struktura s kuličkovým cementitem v základní feritické hmotě. Tato struktura se vyznačuje pevností a vysokou houževnatostí [15].
30
2.2.8 Méně používané metody tepelného zpracování
Patentování – používá se při výrobě ocelových drátů tažením. Jedná se o izotermické kalení drátu s vyšším obsahem uhlíku, při němž se získává struktura perlitu a bainitu s vysokou houževnatostí. Takto zpracované oceli se nazývají patentované s vysokou pevností 1500 – 3000 MPa při dobré houževnatosti [12].
Povrchové kalení – kalení probíhá pouze u svrchních vrstev materiálu. Ohřev probíhá rychle většinou acetylénovými hořáky nebo indukčními ohřívači.
Používá se pro součásti, u kterých je požadována tvrdá povrchová vrstva odolávající rychlému opotřebení na měkkém houževnatém jádru jako jsou hřídele, čepy, ozubená kola atd. Kalená plocha se prohřeje do hloubky 1 – 6mm na teplotu A3 a rychlé zchladí, aby se teplo nepřeneslo i do jádra. Pro chlazení se používá vodní sprcha nebo lázeň [12].